基于3D Max的生物學三維教學資源的開發及應用

摘? ?要 生物學中有很多學習內容具有微觀性，難以直接觀察，使學生很難建立起對知識的認知。三維教學資源可以對微觀物質及其動態現象進行三維仿真，從宏觀上再現其物質形態和動態變化過程，以此來輔助教師授課，幫助學生構建知識。文章在總結三維教學資源優勢的基礎上，簡要介紹了一種常用的三維教學資源開發軟件——3D Max，并針對高中生物教學的難點內容——減數分裂，詳細闡述了如何利用3D Max軟件進行三維教學資源開發，并對資源的教學應用進行了深入探討。

關鍵詞 3D Max? 三維教學資源? 生物學教學? 減數分裂

相比傳統的圖片等二維教學資源，三維教學資源可展現微觀生物的立體原始形態，可再現微觀生物現象三維動態變化的全過程，可以為學生提供直接的感官刺激，使學生全方位、直觀、立體地觀察微生物及其變化過程，建立起清晰、完整的認知，幫助學生理解抽象的微生物現象和微生物結構，有助于提升他們的學習興趣和學習效果。

常用的三維教學資源開發工具有3D Max、MAYA、C4d等。其中，3D Max是Autodesk公司旗下的Discreet公司推出的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。它功能強大，具有建模、材質制作、燈光設計、動畫制作、渲染輸出等功能，可為用戶提供多方面的選擇，滿足不同的需求[1]。本文以人教版高中生物學教材必修2“減數分裂”一節內容為例，闡述基于3D Max的三維教學資源的開發及應用。

一、基于3D Max的三維教學資源的開發流程

在進行實際開發之前，需要進行需求分析和資源設計。需求分析包括教學內容分析、學習者分析、教學目標分析、重難點分析、當前教學資源使用情況及效果分析、使用三維教學資源的必要性分析等方面。資源設計是根據需求分析的結果來設計符合實際教學需要的教學資源。資源設計好之后就進入實際開發階段，主要包括三維仿真模型構建階段、材質制作階段、三維動畫生成階段。如圖1所示。

1.需求分析

“減數分裂”為人教版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》第2章第1節的內容。本節內容是在學生學習了細胞有絲分裂的基礎上進行的，是對有絲分裂知識的擴展和延伸，也是學習遺傳變異的基礎[2]。由于減數分裂是微觀、動態、連續變化的過程，初學者對此缺乏感性認識，較難抓住其本質，因此染色體形態、數目和位置的變化規律成為學習的重難點。

在傳統教學中，教師在教授減數分裂時，通常利用書本上的知識及平面插圖進行講解。然而生物體本身是三維立體的，通過平面插圖，學生很難將簡單的二維線性圖像轉換成復雜的三維立體結構，對于減數分裂的動態分裂變化過程則更難理解。使用這樣的教學資源并不能從根本上解決學生的認識和理解問題，學生難以準確構建起自己的知識體系。由于知識晦澀難懂，教學資源不當，學生的學習熱情也會隨之下降，出現厭煩、消極等不良情緒，影響教學效果。為了幫助學生掌握減數分裂的重難點知識，需要開發相關的3D教學資源。

2.三維教學資源設計

三維教學資源的設計需要以需求分析的結果為根據。可利用網絡、書本上的二維圖片及其他相關減數分裂的資料，借助3D建模及動畫技術將減數分裂過程中染色體形態及減數分裂完整的動態過程進行立體、直觀地呈現，使抽象結構和過程變為直觀的三維結構及動畫，幫助學生更好地理解。

3.三維教學資源的開發

三維教學資源的實際開發階段主要包括三維仿真模型構建、模型材質制作和三維動畫生成。三維仿真模型構建階段需要利用3D Max，以生物體的實物圖為原型進行高仿真精模構建。模型材質制作階段需要為建好的模型賦予材質，以準確表達模型的色彩、紋理及對光的反射、折射等物理屬性[3]。此階段需要利用3D Max配合Photoshop提前進行材質及相關貼圖的制作，然后將制作好的材質賦予模型。如果實際教學中需要進行三維資源的動態展示，就需要生成三維動畫。

二、基于3D Max的三維教學資源的開發實例

根據上述的開發流程，下面以細胞的減數分裂為例，詳細說明基于3D Max的三維教學資源的開發方法。

1.“減數分裂”相關三維模型的構建

減數分裂中涉及到的模型主要有：細胞膜、染色體、紡錘體。細胞膜的構建主要利用3D Max提供的基本三維型體中的球體來直接建模。染色體的構建較為復雜，主要利用了修改器和多邊形建模的方法實現。建模時，需要在建立的球體基礎上為其添加“FFD（長方體）”修改器，通過調整修改器的控制點位置調整球體形狀，使其接近染色體原型。接著再將當前的染色體模型轉換為一個“可編輯多邊形”對象，選擇“頂點”子集對其進行進一步調整，得到染色單體模型，復制多條這樣的模型，保存備用。選擇一條染色單體模型，使用“鏡像”工具，復制剛建好的染色單體模型，并建立一個切角圓柱體放置在染色體中間凹陷處，形成同源染色體模型。

需要注意的是，在“四分體”時期，同源染色體的非姐妹單體之間可能發生交叉互換，導致一種基因重組類型的產生。在制作交叉互換后的模型時，需要將其中的一條染色單體轉換為一個“可編輯多邊形”對象，選擇“多邊形”子集，選擇其右側的部分多邊形，選擇“分離”選項，將所選的多邊形分離成一個網格對象，選中該對象，修改顏色為其非姐妹單體的原有色，并用鏈接工具將其鏈接到原對象上。

紡錘體的構建利用了3D Max中二維建模的方法來實現。選擇“二維圖形”中的“星形”，并為其添加“擠出”修改器，得到紡錘體的基本模型;然后使用“二維圖形”中的“弧”，在視圖中畫弧線并適當修改其形狀，即可得到紡錘絲。

通過上述方法，可完成細胞膜、染色體及紡錘體的構建，得到“減數分裂”任何時期的3D模型。

2.相關材質的制作

材質制作主要涉及到細胞膜、染色體表面凹凸不平的質感表現以及細胞膜表面的半透明屬性。在制作細胞膜材質時，需要打開3D Max的“材質編輯器”，選擇一個材質球，并將該材質球拖拽到球體上。按照現實中細胞膜的物理屬性，修改該材質球的不透明度和漫反射顏色，并在貼圖通道中的“漫反射”和“凹凸”中添加噪波材質，調整噪波大小，使細胞膜表面出現凹凸不平的天然質感。染色體材質制作與細胞膜類似。

3.“減數分裂”三維動態過程的實現

（1）細胞分裂前的間期

此階段完成DNA和染色體的復制。復制的結果是：染色體的數目不變，但每條染色體都包含兩條姐妹染色單體，DNA數目變為原細胞的兩倍。此階段三維動態主要體現在染色體的復制。可利用3D Max的復制操作及關鍵幀動畫來實現。

（2）第一次細胞分裂

①第一次細胞分裂前期

分裂前期同源染色體的聯會現象可利用3D Max的自動關鍵幀動畫，并配合“選擇并移動”工具來實現。紡錘絲的出現可利用3D Max的自動關鍵幀動畫，并配合材質編輯器中的“不透明度”來實現，即在進行關鍵幀動畫錄制時，先將紡錘絲的不透明度設置為“0”，然后移動時間軸的同時，調整不透明度為“100”。核仁核膜的消失動畫與紡錘絲的動畫實現方法相同，只是不透明度的設置相反。同源染色體的非姐妹染色單體之間的交叉互換，則利用自動關鍵幀動畫，并配合材質中“多維子材質”顏色的改變來實現。如圖2所示。

②第一次細胞分裂中期

在第一次細胞分裂中期，同源染色體的著絲點對稱排列在赤道板的兩端，紡錘絲形成紡錘體。此階段三維動態的實現方法為：利用3D Max的自動關鍵幀動畫，并配合“選擇并移動”工具來實現同源染色體的對稱排列。使用自動關鍵幀動畫，并調整紡錘絲的弧線長度參數來實現紡錘體的形成過程。

③第一次細胞分裂后期

在第一次細胞分裂后期，同源染色體開始分離，非同源染色體進行自由組合，分別移向細胞的兩極。三維動態實現依然是利用3D Max的自動關鍵幀動畫和“選擇并移動”工具。如圖3所示。

④第一次細胞分裂末期

在第一次細胞分裂末期，細胞一分為二，形成次級精母細胞或形成次級卵母細胞和第一極體。此階段三維動態的實現是將細胞膜模型轉化為“可編輯多邊形”，在“頂點”子集下，通過移動和縮放調整定點的位置，最終調整為兩個球體的樣子，之后選擇“分離”按鈕，使之分離。接著，在運動面板中，通過使用位置關鍵幀，使兩邊染色體和紡錘體各自移動向兩個細胞，來實現細胞的一分為二。具體分裂過程如圖4、圖5所示。

（3）第二次細胞分裂

第二次細胞分裂的過程與第一次細胞分裂類似。只是在此過程中染色體不再進行復制，使得到的精細胞或卵細胞染色體的數目比原始生殖細胞減少一半。此階段的三維動態的實現方法與第一次細胞分裂相同，這里不再敘述。

三、三維教學資源的應用

在實際教學中，利用三維教學資源可以有效突破減數分裂的三大教學難點。

1.突破教學難點一：相關概念

學生在學習減數分裂、同源染色體、四分體等難點概念時，教師可以利用3D教學資源講解減數分裂的立體動態過程，將這些難點概念滲透到整個動態過程中，讓抽象的概念變成具體、形象的三維立體模型和動態過程，加深學生的理解。

2.突破教學難點二：染色體行為

染色體的行為主要包括兩個方面，即同源染色體和非同源染色體的行為、非姐妹染色單體和姐妹染色體的行為。這些染色體的行為都可以通過3D動態教學資源直觀地進行觀察，使學生能夠輕松地理解并掌握同源染色體的行為變化，很好地將同源染色體與非同源染色體的行為加以區分，將減數分裂與有絲分裂過程進行區別，準確構建知識體系。

3.突破教學難點三：染色體及核DNA數量的變化

染色體的變化僅存在于細胞分裂前的間期及第一次減數分裂中，而DNA數量的變化存在于整個減數分裂過程中。教師在授課時，需要根據教學重點、難點，將減數分裂整個過程細分為不同的階段，然后利用3D教學資源將每個階段的重點、難點滲透其中，給學生建立一個減數分裂完整的、直觀的、清晰的過程，并與有絲分裂進行對照比較，從而使學生深入理解染色體及核DNA數量的變化情況。

參考文獻

[1] 王麗.虛擬現實及其在教育文化領域的應用探究[D].北京：中國書籍出版社，2016：48-49.

[2] 余紅月.基于發展學生生物學核心素養的“減數分裂”一課的教學設計[J].生物學教學，2019，44（02）：30-31.

[3] 杜修全.自制“遺傳信息翻譯”模型教具在課堂教學中的應用[J].生物學教學，2018，43（12）：34-35.

[作者：王麗（1981-），女，遼寧鐵嶺人，山西大同大學教育科學與技術學院，副教授，碩士。]

【責任編輯? 楊? ?子】